Introduo ao

uso do programa

ATP/EMTP

1 parte

Elaborado por

Guilherme Sarcinelli Luz

Junho de 2005

ndice

1. Introduo Geral 3

1.1 Histrico do programa 3

1.2 Home-page do CLAUE 4

2. Programas de suporte 6

3. Exerccios com circuitos lineares 7

4. Modelagem de linhas de transmisso 9

5. Energizao de linhas 12

6. Referncias 14

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1. Introduo

Este curso foi desenvolvido com o objetivo de proporcionar ao engenheiro eletricista uma base prtica para a utilizao do programa ATP (Alternative Transient Program). Este programa, que tem uma aceitao mundial por sua comprovada eficincia, prov o engenheiro de uma ferramenta muito poderosa na simulao de transitrios eltricos e electromagnticos, seja para a especificao de equipamentos, para a anlise de fenmenos, reproduo de eventos, tais como correntes e tenses devido aos diversos tipos de falta para anlise de proteo, etc. 1.1 Histrico do programa ATP

Tomando como base o trabalho de Frey e Althammer (Brown Boveri, Suia), Herman W. Dommel desenvolveu o programa EMTP (ElectroMagnetic Transient Program) na dcada de 60. Nas duas dcadas seguintes, sob a coordenao da BPA (Bonneville Power Administration) e com o apoio de A. Budner, W. Scott Meyer e J. Walker, o programa foi substancialmente modificado tendo recebido diversas e novas implementaes. A partir de 1973, quando Herman W. Dommel foi trabalhar na University of British Columbia (UBC), Scott Meyer assumiu a coordenao do programa e estabeleceu um desenvolvimento articulado com seus usurios. Isto viabilizou a incorporao de experincias e sugestes, bem como a incluso de novos modelos convertendo o programa em una ferramenta bastante poderosa e confivel para a execuo dos estudos de fenmenos transitrios. Herman Dommel manteve sua participao no crecimento do programa e sob a sua orientao foi desenvolvida a TACS (Transient Analysis of Control Systems), permitindo a modelagem de sistemas de controle com capacidade de acoplar-se e interagir com o sistema eltrico. Como a BPA uma empresa pblica, o programa EMTP sempre foi distribuido gratuitamente, o que se constituiu em um dos fatores mais importantes para o seu desenvolvimento e difuso em todo o mundo. Entretanto, em

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1982 foi criado o DCG (Development Coordination Group) com a finalidade de produzir uma verso mais amigvel do programa. Este grupo, depois de dois anos de atividade, lanou a verso M39 e decidiu convert-la em propriedade exclusiva de seus componentes. Isto gerou uma diviso entre os que estavam trabalhando at ento no seu desenvolvimento. Como, segundo as leis norte-americanas, o programa havia se convertido em objeto de utilidade pblica, trs anos depois, Scott Meyer lanou uma verso para microcomputadores e computadores de grande porte, baseada na verso M39, materializando pblicamente sua reao atitude comercializadora do DCG. Nesta poca foi instalado o LEC (Leuven EMTP Center) na KUL (Katholieke Universteit Leuven), Universidade de Leuven, na Blgica, que assumiu o papel de distribuidor mundial do programa. Esta verso recebeu o nome de ATP (Alternative Transient Program). Aps alguns anos o programa retornou ao controle da BPA que prestigiou a cooperao dos Grupos Coordenadores Regionais. Assim que existem atualmente diversos grupos de usurios em vrias partes do mundo, os quais fazem uma distribuio secundria atravs de um termo de compromisso renunciando a todo beneficio sobre qualquer desenvolvimento que venha fazer no programa. Na Amrica Latina, por exemplo, o ATP distribudo pelo "Comit Latino Americano de Usuarios do EMTP/ATP" (CLAUE).

1.2 Home-page do CLAUE Em outubro de 2002, o grupo CLAUE (Comit Latino-Americano de Usurios do EMTP/ATP) que se encontrava sob a coordenao do Eng. Marco Polo Pereira, FURNAS Brasil, passou a ser coordenado pelo Eng. Jorge Nizovoy, Gerente da rea de planejamento da Transener S.A., Buenos Aires, Argentina. O CLAUE coordena os demais comits da Amrica Latina, onde, at o momento, os mais ativos so o CBUE (Comit Brasileiro de Usurios do EMTP/ATP), atualmente sob a coordenao do Eng. Jorge Amon Filho de FURNAS e o CAUE (Comit Argentino de

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Usurios do EMTP/ATP), sob a coordenao do Eng. Raul Bianchi Lastra, da Universidade Nacional de La Plata, Argentina. Neste ltimos anos o CAUE tem se apresentado mais ativo e atualmente forma a base de apoio para o CLAUE. O CAUE possui uma home-page (http://iitree.ing.unlp.edu.ar/estudios/caue/caue.html) e um grupo de intercmbio de informaes por Email, onde permitida a inscrio de qualquer membro do CLAUE para acompanhar os debates, as dvidas e os esclarecimentos que surgem. Para acess-lo, digite:

http://ar.groups.yahoo.com/group/ATP-CAUE/

Figura 1. Home-page do CAUE

A disposio dos demais grupos em todo o mundo pode ser identificada atravs dos links de qualquer dos grupos de usurios do ATP, como por exemplo o grupo Canadense/Americano acessado a partir do site:

http://www.ee.mtu.edu/atp/atpnew/

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2. Programas de suporte:

A forma cooperativa com que o programa ATP se desenvolveu ao longo dos anos permitiu a contribuio de novos recursos, para o apoio de sua utilizao. Mais particularmente o pr-processador ATPDraw que veio tornar a interface com o usurio bastante mais amigvel, ao montar o arquivo de dados a partir de diagramas e componentes de fcil compreenso. Por outro lado, o ps-processamento tambm foi beneficiado com diversos programas de plotagem do arquivo de saida das variveis de interesse. O mais utilizado o PlotXY, cedido por Massimo Ceraolo da Universidade de Pisa, Itlia.

Figura 2. Programas de suporte: ATPDraw e PlotXY

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3. Exerccios com circuitos lineares - Abra o programam ATPDraw e monte o circuito do exerccio 1a. - Observe os comandos disponveis. - Processe o caso montado - Edite o arquivo de dados - Edite o arquivo de sada - Plote as variveis solicitadas. - O manual do ATPDraw (em ingls) acompanha o programa. Acesse-o

para conhec-lo.

Ex. 1a: Monte um circuito formado de Fonte (200V) + Chave (0.01 a 1.0s) + Resistencia (100. ) + Capacitncia (100. F) nesta ordem:

No instante em que a chave fechada a tenso da fonte transferida totalmente para a resistncia uma vez que o capacitor se encontra descarregado. Este, por sua vez, tenderia a se carregar imediatamente caso a resistncia no impusesse restries a isso. Deste modo surge uma corrente:

i = (Vfonte-Vcap) / R que tende a decrescer medida que a diferena de tenso entre a fonte e o capacitor diminui.

Ex. 1b: Varie a resistncia para 10. , a capacitncia para 500. F , etc e verifique como o tempo de carga do capacitor se modifica com a variao deste parmetros em cada situao.

0 10 20 30 40 500

25

50

100

125

75

150

175

200

*10^-3

(file Ex1.pl4; x-var t) v:CAPAC1 v:FONTE1 c:FONTE1-CHAVE1

7

Ex. 2a: No circuito do Ex. 1a introduza uma Indutncia (100.mH) entre a chave e a resistncia e observe o grfico abaixo:

Como a corrente na indutncia no pode variar instantaneamente, esta impe uma variao lenta no incio at atingir um mximo valor quando ento a tenso entre o capacitor e a fonte torna-se menor e esta diminui. Quando a diferena de tenso torna-se nula, a corrente no poder variar imediatamente; por isso continua a carregar o capacitor at a corrente tornar-se nula. Porm, isto faz com que a diferena de tenso esteja agora em sentido oposto produzindo, com isso, uma corrente neste outro sentido. Este movimento segue at que ambas as tenses se igualem num ponto em que a corrente se anula tambm. Caso no houvesse uma resistncia dissipando calor esta troca de energia entre a indutncia e o capacitor se manteria indefinidamente. Ex. 2b: Varie a resistncia para 0.01; depois altere indutncia para 10.mH; em seguida, a resistncia para 10., etc. Verifique os resultados em cada uma destas situaes. Ex. 2c: Utilizando o circuito do Ex. 2a, modifique o capacitor para outro com valor inicial (Vc(0) =100V) ; varie os parmetros e o valor inicial (200V e -200V) e conclua sobre sua influncia.

0 10 20 30 40 50-50

0

50

100

150

200

250

300

350

*10^-3

(file Ex2.pl4; x-var t) v:CAPAC1 v:FONTE1 c:FONTE1-CHAVE1

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4. Modelagem de linhas de transmisso

E o entre a representao da linha por parmetros d trados representando os circuitos abaixo, p

12

F1

x. 6a: Analisemos a relaistribudos e concenrogressivamente: (f ile ONDTRF1.pl4; x-var t) v:R1 v:L1 v:C2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0t[ms]

0

2

4

6

8

10

12[kV]

(f ile ONDTRF1.pl4; x-var t)

(f ile ONDTRF1.pl4; x-var t)

v:R1 v:L1 v:C4 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0t[ms]

0

2

4

6

8

10

12[kV]

(f ile ONDTRAF.pl4; x-var t) v:RZ v:LZ v:CZ 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0t[ms]

0

2

4

6

8

10[kV]

L=10 mH/10 Km ; C=1uF/10 Km Z= L / C = 100 v = 1 / L.C = 100.000 Km/s L = 10 Km

v:R1 v:L1 v:C1 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0t[ms]

0

2

4

6

8

10[kV]

E

C1

j. 4a

F1

R1 L110mH

1uF

100

Ej. 4b

C2

F1

R1 L1 C1100 5mH

0.5uF

E

C4

j. 4c

R1 L1 C1100

C2 C32.5mH

0.25uF

Ej. 4d

FZ

RZ LZ CZ

9

Ex. 6b: Represente os circuitos como mostrado nas figuras abaixo, considerando Z = 500 ohms; v=3.0E5 ; l=3000 e obtenha os resultados correspondentes.

(f ile REFLEX.pl4; x-var t)

v:R1 v:L1 0 10 20 30 40 50t[ms]

0

100

200

300

400

500

600

700[V]

(f ile REFLEX.pl4; x-var t) v:R2 v:M2 v:L2A 0 10 20 30 40 50t[ms]

0

100

200

300

400

500

600

700[V]

(f ile REFLEX.pl4; x-var t) v:R3 v:L3 0 10 20 30 40 50t[ms]

0

200

400

600

800

1000

1200[V]

400

600

800

1000

1200[V]

L1

E . 5aj

F1R1

500

500

L2AF2R2 M2

L2B

E . 5bj

Ej. 5c

F3R3 L3

F4 R

L4B

Ej. 5d

4 M4L

(f ile REFLEX.pl4; x-var t) v:R4 v:M4 v:L4A

0 10 20 30 40 50t[ms]0

200

4A

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Ex. 6c: Modele uma linha trifsica utilizando os parmetros abaixo para as fases e cabos pra-raios, respectivamente. Observe os valores dos parmetros da linha calculados pelo programa encontrados no diretrio \ATPDraw\LCC\ considerando-se as opes de transposio ou no para os diferentes modelos Bergeron, PI e J.Marti.

Cabo Diam. ext

(cm) T/D

Resist.DC (ohms/km)

de fase 3.18 0.231 0.0522 Pra-raios 1.46 0.5 0.360

Comprimento da linha = 100 km

Resistividade do solo = 250 ohm.m

12 m

7.85 m

Na torre: 21.63 m

No meio do vo: 9.83 mNa torre: 30.5 m

No meio do vo: 23.23 m

0.4 m

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5. Energizao de linhas: Assim como os circuitos concentrados, as linhas podem produzir sobretenses

muito altas em funo de seu comprimento e do instante de fechamento de cada fase. As reflexes representam o trnsito da energia entre as capacitncias e as indutncias do circuito de transmisso. Ex. 6d: Represente o circuito abaixo e obtenha a tenso na extremidade da linha:

(file EJ32c.pl4; x-var t)

Ex. 6e: Represente a linha por seus parmetros de seqncia zero e positiva (procure-os no arquivo LCC_3.PCH) e repita o clculo acima obtendo o mesmo resultado.

Ex. 6f: Represente o circuito do exerccio acima considerando 300 km e uma impedncia equivalente da rede igual a: Z= 1 + j50 ohms. Feche o disjuntor aos 10ms. Depois dobre o comprimento da linha fechando as fases do disjuntor em: ta=0.01, tb=0.0167 e tc=0.0233s.

CHAVE

LINHA360 kV

FONTE

f=0.01s

v:FONTEA v:CHAVEA v:LINHAA 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10[s]

-700

-525

-350

-175

0

175

350

525

700[kV]

(f ile ENERG1.pl4; x-var t) v:EXTREA v:EXTREB v:EXTREC 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10t[s]

-900

-600

-300

0

300

600

900[kV]

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Como no caso da linha existe um acoplamento entre as fases, o instante de fechamento de cada polo importante. Por isso, para se obter a mxima sobretenso utiliza-se um tratamento estatstico para o mecanismo de fechamento do disjuntor levando-se em conta a disperso entre plos garantida pelo fabricante. Este valor pode ser obtido em termos de desvio padro. Ex. 6g: Substitua a chave controlada por tempo pela do tipo estatstica. Considere a chave de cada fase como ndependent, seu fechamento variando em uma distribuio gaussiana com desvio de 0.5 ms e um tempo mdio de 10 ms. Faa 20 energizaes.

440 kV

EXTRELINEA EXTRE

Ex. 6h: Avalie a influncia de um resistor de pr-insero de 300 ohms que atua com 20 ms de antecedncia. No caso do religamento um outro fator deve ser considerado: a carga residual da linha. A abertura do disjuntor da ltima extremidade da linha feita com uma corrente capacitiva, implicando na sustentao da tenso mxima. A existncia de reatores permite a drenagem desta carga. Entretanto, no caso de inexistncia dos mesmos esta descarga muito lenta atravs das cadeias de isoladores e dependente da umidade do ar. A diferena de sobretenso no religamento com e sem carga muito grande. Ex. 6i: Considere agora uma abertura seguida de um fechamento com pelo menos um ciclo de defasagem e varie o instante de fechamento.

(f ile EX6i.pl4; x-var t)

v :EXTREA v :EXTREB v :EXTREC 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10[s]

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5[MV]

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6. Referncias: 1. Alternative Transient Program Rule Book 2. Equipamentos Eltricos especificao e aplicao em subestaes de

alta tenso FURNAS Ary DAjuz, Fabio Resende, F.M. Salgado Carvalho, Irapoan G. Nunes, Jorge Amon Filho, L.E. Nora Dias, Marco Polo Pereira, Oscar Kastrup Filho, Srgio de A. Morais ED. UFF

3. Transitrios Eltricos e Coordenao de Isolamento Aplicao em

Sistemas de Potncia de Alta-tenso Ary DAjuz, Cludio Fonseca, F.M. Salgado Carvalho, Jorge Amon Filho, L.E. Nora Dias, Marco Polo Pereira, Paulo Csar V. Esmeraldo, Roberto Vaisman, Srgio de O. Frontin ED. UFF

4. Electrical Transients in Power Systems Allan Greenwood

Wiley_Interscience

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Introduo aoElaborado por

Figura 1. Home-page do CAUEFigura 2. Programas de suporte: ATPDraw e PlotXY